Давно известно, что нейроны, специализированные клетки, передающие нервные импульсы, являются жизненно важным элементом для функционирования человеческого мозга. Однако за прошедшее столетие нейробиологические исследования породили ложное убеждение, что нейроны являются единственными клетками, которые могут обрабатывать и изучать информацию. Это заблуждение или «нейрокомпьютерная догма» далеко от истины.
Астроцитов является другим типом мозга клетки , который недавно был найден , чтобы сделать много больше , чем просто заполняет пространство между нейронами, поскольку исследователи полагают , уже более ста лет. Исследования показывают, что эти клетки также играют ключевую роль в функциях мозга, в том числе в обучении и генерации центральных паттернов (CPG), которые являются основой для критических ритмических действий, таких как дыхание и ходьба.
Хотя в настоящее время известно, что астроциты лежат в основе многочисленных функций мозга, большинство существующих компьютерных систем, вдохновленных человеческим мозгом, нацелены только на структуру и функции нейронов. Осознавая этот пробел в существующей литературе, исследователи из Университета Рутгерса разрабатывают мозговые алгоритмы, которые также учитывают и воспроизводят функции астроцитов. В статье, ранее опубликованной на arXiv и предназначенной для представления на конференции ICONS 2020 в июле, они представляют нейроморфный центральный генератор паттернов (CPG), модулированный искусственными астроцитами, который успешно улавливал несколько ритмических форм ходьбы в своих собственных роботах.
«Все, что делают искусственные нейронные сети, и они много делают в наши дни, основано на догмате нейрокомпьютинга, что« мозг равен нейронам »», — Константинос Михмизос, доцент кафедры информатики в университете Рутгерса и ведущий исследователь в этом исследовании, сказал TechXplore. «Астроцитов в два-10 раз больше, чем нейронов. Эффект от понимания или имитации того, что делает большая часть мозга, огромен».
Michmizos и его команда представили новый подход к нейроморфным исследованиям, направленным на понимание и имитацию человеческого мозга во всей его полноте путем воспроизведения бесшовных способов, которыми нейроны и астроциты работают вместе, чтобы произвести специфическое поведение. Примечательно, что они первыми смотрят на развитие искусственного интеллекта (ИИ) с точки зрения, которая не рассматривает нейроны как единственную единицу обработки в мозге, а вместо этого представляет астроциты в нейронных сетях в качестве второй единицы обработки.
«Поскольку астроциты, возможно, играют ключевую роль в интеллектуальном интеллекте, изучение их роли в искусственном интеллекте является увлекательным и полезным направлением», — сказал Михмизос. «Основная цель нашего недавнего исследования состояла в том, чтобы понять таинственный язык, который нейроны и астроциты используют для общения друг с другом, когда мы учимся, думаем и воздействуем на наш мир, создавая алгоритмы, вдохновленные этим загадочным диалогом в нашем мозгу»
Во-первых, лаборатория Михмизоса разработала вычислительные модели, которые описывают то, что происходит внутри астроцита, когда он связывается с нейронами, когда они получают и посылают нервные импульсы. Затем они использовали эти модели в качестве строительных блоков для формирования нейронно-астроцитарных сетей, которые были встроены в нейроморфные чипы, которые могут управлять роботами. В своем недавнем исследовании они использовали нейроморфные чипы Intel Loihi.
В системе, разработанной исследователями, робототехнические функции естественным образом возникают из пластического взаимодействия между искусственными нейронами и астроцитами. Следовательно, структура и функционирование их CPG сильно отличается от обычных алгоритмов обучения, которые фокусируются только на нейронах и не в полной мере используют современные знания о том, как работает мозг.
«Астроциты ощущают мир и изменяют активность нейронов и появляющееся поведение роботов», — сказал Михмизос. «Позволяя астроцитам изменять, как нейроны общаются друг с другом, сеть меняет то, как он управляет роботом на ножках, не меняя его топографию. Эта пластическая клеточная функция, которая изменяет, как нейроны передают нервные импульсы во времени, является принципиально отличным подходом от общепринятых алгоритмов обучения. это может только изменить структуру сети «.
Как правило, нейроморфные чипы используются для реализации простых нейронных моделей, которые воспроизводят только часть активности клеток человеческого мозга. Михмизос и его команда одними из первых успешно внедрили нейроны, способные к более сложному поведению (например, взрывному поведению) на нейроморфном чипе.
«Наши результаты демонстрируют, как астроциты могут контролировать нейронный компонент в шипящей сети и повышать устойчивость контроллера к шуму и адаптивности», — сказал Михмизос. «С мозговой точки зрения, наличие низкоэнергетического контроллера CPG крайне важно для мобильного робота на ножках, развернутого в реальных условиях. Но есть и другие способы изучить эту работу, лучше поняв, как могут работать различные клетки мозга. вместе как одна сеть. «
До сих пор Михмизос и его команда продемонстрировали эффективность своей CPG, используя ее для управления ходьбой шестиногого робота в моделируемой среде. Их система достигла замечательных результатов, позволяя роботу эффективно двигаться на разных скоростях, не подвергаясь воздействию внешних сенсорных нарушений.
«Мы много знаем о нашем теле, например, мы знаем, что происходит в сердце и в наших легких», — сказал Михмизос. «Мозг — единственный орган, который скрывает от нас свои секреты. Это неиспользованная граница. Теперь мы знаем, что интеллект мозга, даже его болезни, возникают в результате этого взаимодействия между нейронами и астроцитами. Вот почему понимание астроцитов революционизирует то, как мы подражаем интеллект мозга и влияние на то, как мы лечим заболевания мозга «.
Новый подход к нейроморфным вычислениям, представленный Лабораторией Михмизоса, открывает новые возможности для развития ИИ. Этот подход уже включен в учебный план для компьютерного курса в университете Рутгерса, разработанный Михмизосом, который был одним из первых курсов по вычислительной работе мозга, предложенных в университете США.
CPG, представленная в их недавнем документе, вскоре может быть применена к роботам в реальных условиях. Тем временем исследователи из Rutgers работают над созданием комплексной нейро-роботизированной структуры, которая влечет за собой навигацию и передвижение роботов.
«По мере того, как мы продолжаем углублять наше понимание того, как астроциты работают в мозговых сетях, мы находим новые способы использования вычислительной мощности этих не нейрональных клеток в наших нейроморфных моделях интеллекта мозга и заставляем наших собственных роботов вести себя как люди «Сказал Михмизос. «Наша лаборатория — одна из немногих групп в мире, у которой есть нейроморфный чип Лойи, исследовательский чип Intel, который обрабатывает данные с помощью нейронов , как наш мозг, и это помогло нам. У нас замечательные годы впереди нас.»